于海業(yè)，孔麗娟，劉　爽，張雨晴，隋媛媛

(吉林大學 生物與農(nóng)業(yè)工程學院，長春　130022)

0　引言

植物生長發(fā)育受光照、溫度、水分、養(yǎng)分及二氧化碳濃度等環(huán)境因素的影響，而光照在植物的整個生命周期中起重要作用。其機理是：植物通過外界光子的激發(fā)完成光合作用過程，從而影響其生長發(fā)育、形態(tài)建成、果實著色、物質(zhì)代謝積累及基因表達等。光調(diào)控是一種科學有效、精準智能、綠色無公害的調(diào)控手段，植物在人工光環(huán)境下的光合速率往往比在自然光下高[1]。因此，采用人工光調(diào)控手段對植物生產(chǎn)有著積極促進作用，可滿足植物正常的生長發(fā)育對光照的需求，縮短瓜果蔬菜的成熟時間，減少病蟲害及畸形果，增加果實單重和產(chǎn)量，還可提升觀賞花卉的鮮艷度，控制開花時間，滿足人們需求。

根據(jù)光環(huán)境因子的不同，本文從光質(zhì)調(diào)控、光照強度調(diào)控、光周期調(diào)控及光照分布調(diào)控4方面，并協(xié)同其它環(huán)境因子，綜述了光調(diào)控植物生產(chǎn)的國內(nèi)外研究進展，深入分析植物吸收不同波段的光能從而產(chǎn)生一系列生化反應的機理及此機理應用于光調(diào)控的研究現(xiàn)狀，對研究植物生產(chǎn)的光環(huán)境因子調(diào)控具有一定的參考價值。

1　光質(zhì)調(diào)控技術(shù)

長期以來，我國設施農(nóng)業(yè)大型智能溫室調(diào)控的發(fā)展速度緩慢，所用光調(diào)控多采用白熾燈、熒光燈、高壓鈉燈及金屬鹵化物燈等光源，但這些光源能耗大、不環(huán)保，且只具備單一的開關功能，不能實現(xiàn)對植物生產(chǎn)所需光照的精準智能控制。相比傳統(tǒng)光源，LED(Light-Emitting Diode，發(fā)光二極管)光源[2-3]屬于固體冷光源，體積小，發(fā)光效率高，能耗低，節(jié)能環(huán)保，使用壽命長達10萬h，是一種新型綠色光源。圖1是LED光源的構(gòu)造簡圖。工作時，電流通過導線作用于芯片，芯片中的P-N結(jié)材料決定了光的顏色，由于植物對不同波段的光吸收能力不同，而LED光色種類豐富，故可按植物的吸收光譜配置，為植物生長提供更適宜光質(zhì)條件，實現(xiàn)智能可控，應用前景日漸廣闊[4]。

1.封裝接線　2.芯片　3.陽極桿　4.陰極桿　5.透明環(huán)氧樹脂封裝

光質(zhì)調(diào)控植物生長發(fā)育的機理在于植物體內(nèi)含有許多色素，不同的色素通過吸收不同波長光譜的光能表現(xiàn)出不同的活性，光敏色素(Phytochrome)和隱花色素(Cryptochrome)是植物體內(nèi)光吸收或光調(diào)控較為重要的色素[5]。光敏色素可以調(diào)節(jié)植物對光的反應，吸收紅光(Pr型)和遠紅光(Pfr型)，二者可以發(fā)生逆轉(zhuǎn)效應，光敏色素在黑暗中積累，刺激種子發(fā)芽，參與植物葉綠素合成等生化反應；隱花色素則可以調(diào)節(jié)植物對藍光和紫外線A(UVA)的響應，如在擬南芥中隱花色素在綠光吸收狀態(tài)下可以逆轉(zhuǎn)藍光的誘導反應，影響相關基因的表達[6]。植物色素在不同的光質(zhì)照射下活性不同，接收光能的能力也不同，通過調(diào)控光質(zhì)可影響植物的生理特性。如采用100%藍光照射后植株的氣孔導度(GS)和凈光合速率顯著高于100%紅光照射，說明藍光促進了氣體和水分的交換，使得葉片的光合效率升高。但是，NI Jiheng[7]對比不同的LED光質(zhì)(紅、藍、白光)對溫室黃瓜的影響，發(fā)現(xiàn)補充藍光處理雖有效減少黃瓜畸形果，對增產(chǎn)最有效，但氣孔導度增大使線粒體暗呼吸作用加強，光合產(chǎn)物消耗增多，使得植株生物量積累減緩，故合理調(diào)控光質(zhì)對植物生長意義重大。

1.1　LED人工光源光質(zhì)調(diào)控方法

LED光源光色種類豐富，除可以發(fā)出不同波長的單色光外，還能根據(jù)植物生長發(fā)育的需求進行人工組合，從而實現(xiàn)對植物光環(huán)境的精準控制[8]。國內(nèi)外學者研究表明：紅光、藍光和遠紅光對植物的形態(tài)建成及生長發(fā)育有顯著影響，故通常采用單色光控制(即特定光譜的人工光源控制)、調(diào)控紅光與藍光比值(R/B)、調(diào)控紅光與遠紅光比值(R/FR)，以及暗期對植物進行紅光或遠紅光處理等光質(zhì)調(diào)控方法對觀賞花卉、瓜果蔬菜及藥用植物等領域?qū)崿F(xiàn)光質(zhì)的智能精準調(diào)控。

1.1.1單色光人工光質(zhì)調(diào)控

早在20世紀末，有學者發(fā)現(xiàn)高強度輸出的發(fā)光二極管(LED)可作為植物進行光合作用的優(yōu)質(zhì)光源。對比熒光燈， 紅色LED燈[波峰(656±5nm)]照射下萵苣(Lactuca sativa)幼苗下胚軸和子葉伸長更多[9-10]；對比氙弧燈， 紅色LED燈光照能充分打開野葛(Pueraria lobata)葉片氣孔，提高氣孔導度，增加異戊二烯(一種ATP指示劑)含量，對野葛葉片進行光合作用、電子轉(zhuǎn)運及物質(zhì)代謝都有促進作用[11]。

用不同光質(zhì)培養(yǎng)菊花試管苗，Sun J K[12]發(fā)現(xiàn)：紅藍復合LED光(RB)照射下菊花凈光合速率最高，藍色LED(B)光照射下鮮重、干重和葉面積最大，最有利于植物有機物質(zhì)積累；紅色LED(R)及紅光和遠紅光LED(RFR)光照射下莖伸長最高，這也導致莖在第3節(jié)間的脆性增大，但試驗尚未明確紅光在3種混合光中的比例。崔瑾[13]證實：采用不同光質(zhì)光調(diào)控組合，在3～9μmol/m2·s的光照強度、16h/d的光周期條件下最有利于黑豆、蘿卜、油葵等幾種芽苗菜的生長和部分營養(yǎng)品質(zhì)改善。孟霖[14]研究了在水培條件下煙草幼苗的生理特性和根系發(fā)育對不同光質(zhì)的響應，結(jié)果顯示：紅光處理下幼苗葉面積和地上部分鮮重增幅達到近50%，紅光促進了根系發(fā)育卻明顯抑制了莖稈伸長；而藍光則促進煙苗莖稈生長，但葉片發(fā)育緩慢，葉片中葉綠素和類胡蘿卜素含量最小。不同光質(zhì)通過改變生長素(IAA)的極性運輸從而實現(xiàn)對根系發(fā)育的調(diào)控[14]：紅光處理提高了生長素外流載體編碼基因PIN3在根莖結(jié)合處及根系的表達水平，促進了生長素由地上部分向根系部分轉(zhuǎn)運，致使煙草幼苗根系中IAA含量明顯增加，根系發(fā)育較好；藍光則顯著抑制了PIN1、PIN3和PIN4在根系部位的表達，研究這些基因?qū)t、藍光調(diào)控IAA的轉(zhuǎn)運機理，可為光質(zhì)調(diào)控側(cè)根系發(fā)育提供參考。

1.1.2紅藍光(R/B)或紅藍黃光(R/B/Y)比值調(diào)控研究

早期Goins G D[15]發(fā)現(xiàn)在紅色LED燈源的基礎上輔以少量藍光，小麥植株光合作用更強，種子產(chǎn)量更高。基于植物對紅藍光的敏感程度不同，研究紅藍復合光比值(R/B)或紅藍黃復合光(R/B/Y)比值可以實現(xiàn)更精準地調(diào)控花卉及果蔬生長發(fā)育[16-19]。以草莓為例，在培養(yǎng)草莓時補充紅藍色復合LED燈后對草莓育苗更具優(yōu)勢，草莓的有機酸、維生素C(VC)含量和酚類化合物積累更多，產(chǎn)量更高[20-21]。在9R/4B復合光處理下草莓植株鮮重增加最大，生長最快，最易促進草莓壯苗[22]。對草莓葉片在不同光質(zhì)下的葉綠素熒光動力學參數(shù)(Fo、Fm、Fv/Fo、Fv/Fm)測定分析，結(jié)果表明：7R/2B/1Y復合光處理下草莓的各葉綠素熒光參數(shù)最大，根系最有活力，最有利于增加光合色素含量，果品質(zhì)和產(chǎn)量顯著提高[23]。

紅藍光(R/B)或紅藍黃光(R/B/Y)按一定比例組合，對瓜果蔬菜等植物的生長、光合特性及內(nèi)源激素(IAA、GA3、ABA)的影響表現(xiàn)出綜合的優(yōu)勢，其機理在于植物光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)原始光能的轉(zhuǎn)化效率(Fv/Fm)和水分利用效率(WUE)提高；通過微觀觀察到在這兩種復合光下，葉片葉綠體組織結(jié)構(gòu)清晰、形狀規(guī)則，作物體內(nèi)赤霉素 3 (GA3)和IAA含量顯著增多，脫落酸(ABA)含量較低，促進了植株的株高、莖粗、葉片的擴展，以及植株干鮮重積累[24-27]。劉彤[28]提出一種LED植物光源配光設計方法，可實現(xiàn)紅藍光子數(shù)在4:1～9:1 之間連續(xù)可調(diào)，按需實施植物在不同生長階段對紅藍光質(zhì)的動態(tài)控制。

1.1.3紅光與遠紅光比值(R/FR)調(diào)控研究

400～700 nm波長范圍的光是植物光合作用的活躍區(qū)，對植物生長發(fā)育最為關鍵。600～700 nm紅光能降低植物體內(nèi)赤霉素(GA)的含量，從而降低節(jié)間長度和植株高度，而710～740nm遠紅光的作用恰好與紅光相反。因此，研究以660 nm和730 nm兩個波長為中心的波長帶的光通量的比，即紅光與遠紅光的比值(R/FR)，可以調(diào)控植株高度，影響植株形態(tài)建成。R/FR值變大時，植物的莖節(jié)間距變小、植株矮化；反之，植物有伸長的傾向[29]。

在進入傍晚后，太陽光中紅光與遠紅光的比值會顯著降低，致使植物體內(nèi)光敏色素從 Pfr 型很快轉(zhuǎn)化為 Pr 型，從而引起植物相應的生理生化反應[30-32]。研究表明：作物在進入暗期時給予適當?shù)倪h紅光照射，使R/FR值降低，比單一紅LED光照射能獲得更多的干物質(zhì)積累，促進植株莖桿生長，有利于植株長高[33]；若夜間進行高比值的紅光與遠紅光(R/FR)處理，則又使植物體內(nèi)的光敏色素迅速從 Pr 型轉(zhuǎn)化為 Pfr 型，從而抑制植株增高，促進植株開花[34]。對豇豆[35]、黃瓜[36]、西瓜[37]和菊花[38]等植物的研究也證實在暗期時調(diào)控紅光或遠紅光的光照強度和時長影響植株莖葉中IAA含量、GA3含量和礦質(zhì)元素(如N、P、K)含量，從而影響植物光合速率和體內(nèi)干物質(zhì)分配，有利于植株生長發(fā)育。曹凱[39-40]對番茄植株進入暗期前進行光照強度為10μmol/m2·s、時長為10 min的遠紅光處理后，番茄植株的株高及莖的鮮質(zhì)量達到最大，今后還需在不同梯度的光照時長影響植株生理特性方面繼續(xù)探索研究。

1.2濾光薄膜光質(zhì)調(diào)控方法

玻璃紙(Cellophane Paper)是用高級木紙漿經(jīng)過化學處理制成的薄而透明的薄膜, Obaidul M I[41]采用紅、藍、黃、綠等顏色的玻璃紙研究了不同光質(zhì)玻璃紙對蝴蝶蘭組培苗愈傷組織誘導和增殖的影響；但玻璃紙質(zhì)地軟，受熱、吸濕后透光率下降，影響其光質(zhì)調(diào)節(jié)效果。彩色玻璃濾光片也可調(diào)控光質(zhì)，但其價格昂貴，多用于實驗研究，推廣使用程度不高。若在薄膜覆蓋材料中添加能夠吸收待定波長范圍光的不同助劑，改變薄膜材料的光透過特性則可實現(xiàn)對溫室植物整體的光質(zhì)調(diào)控，常見的光質(zhì)調(diào)控濾光薄膜有藍光膜、紅光吸收膜和遠紅光吸收膜等[42]。

相比未鋪設覆蓋薄膜的植株，F(xiàn)letcher J M[43]研究發(fā)現(xiàn)：遠紅外聚乙烯薄膜(700～800nm)過濾掉遠紅光，使R/FR比率增大，對增加觀賞花卉的葉片數(shù)和葉面積起到了促進作用。

Cayetano E等人[44]將不同的聚合物(作為基質(zhì))與納米添加劑(作為填料)混合制成聚合物納米復合薄膜，試驗研究發(fā)現(xiàn)：摻入二氧化鈦可使納米復合材料薄膜的紫外線屏蔽性能較好，但透明度很低；摻入氧化鋅顆?？墒沟兔芏染垡蚁┍∧さ墓廨椛渑c熱輻射性能明顯改善，透明度較高，可屏蔽較高紫外線，抗老化能力強，故氧化鋅填充低密度聚乙烯納米復合薄膜在透明度和紫外線屏蔽方面效率最高，作為光調(diào)控濾光薄膜比較合適。

2　光照強度調(diào)控技術(shù)

光照強度對不同作物的生長、產(chǎn)量和品質(zhì)具有調(diào)控作用[45-46]。當光照強度較低時，水稻籽粒中蔗糖合成酶活性下降，轉(zhuǎn)化酶活性提高，蔗糖含量減少，蛋白質(zhì)含量增多，對水稻遮陰處理可提高其營養(yǎng)價值，但降低了米飯口感[47]；弱光(100μmol·m-2s-1)下植株的光合酶活性降低，對光合作用產(chǎn)生抑制效應，此時施入適宜銨硝配比液(1:9)可緩解幼苗因弱光脅迫對葉綠體結(jié)構(gòu)造成的破壞[48-49]；蝴蝶蘭若在低光照水平(175μmol·m-2·s-1)下培育，其葉綠素濃度(葉綠素a，葉綠素b和總?cè)~綠素含量)最高[50]。當光照強度較高時，蘭花的凈CO2同化率、氣孔導度和蒸騰速率最高，葉片電鏡掃描(SEM)圖像顯示高度光照下生長的植株結(jié)蠟更多，根被層高度發(fā)達，根系細胞活性非常高，存活率可達90%[50]。

2.1　合理建造溫室

植物生產(chǎn)光照強度調(diào)控手段的基礎是依據(jù)當?shù)氐乩砦恢门c氣候條件合理建造溫室，考慮溫室的方位角、前屋面角、骨架形狀及材料等因素[51-52]；選擇優(yōu)質(zhì)的覆蓋材料，及時清洗棚面的灰塵、水滴、積雪等，替換老化舊膜，增加棚膜的透光率[53]；優(yōu)化溫室結(jié)構(gòu)，最大限度地利用太陽光，提高溫室的采光性能。

目前，國內(nèi)外的溫室結(jié)構(gòu)主要有單屋面溫室、雙屋面溫室、連接屋面溫室、階梯型溫室及全開啟屋面溫室。單屋面溫室[見圖2(a)]結(jié)構(gòu)簡單，但通風較差、光照不均；雙屋面溫室[見圖2(b)]采光面較大，具有較強的光環(huán)境調(diào)控能力；連接屋面溫室光照均勻、空間大，最具代表性的是荷蘭的等屋面溫室[見圖2(c)]及圓拱型屋面溫室[見圖2(d)]；階梯型連棟玻璃溫室[見圖2(e)]屋面不對稱，透光率高，光照均勻性好，日光利用率高；屋頂全開啟型Venlo式溫室[見圖2(f)]起源于荷蘭，以天溝為固定轉(zhuǎn)軸，兩屋面可以同時旋轉(zhuǎn)張開或閉合，達到了溫室頂部全開的目的，植物可以完全接受自然光照射，透光性和通風性都較好。溫室的最大通風比越大，自然降溫效果越好，故屋頂全開啟型Venlo式溫室可以快速排濕、降溫[54-55]。

圖2　溫室結(jié)構(gòu)類型

宋衛(wèi)堂[56]設計了一種階梯型南北坡屋面不對稱玻璃溫室，屋脊從南到北逐漸升高，大南坡屋面為25°。與對稱屋面溫室相比，在入冬后3個月的弱光期內(nèi)，陰影帶寬度減少0.82 m，獲得較高的太陽輻射，平均透光率達到80%，光照的水平分布較均勻，能夠滿足冬天植物生長對光照強度的需求。Kwon等人[57-58]利用 CFD 模擬方法分析了屋頂全開啟式溫室內(nèi)部溫度分布和氣流流動情況，對溫室的光照、通風、溫度的多因子協(xié)同調(diào)控進行了改進，以實現(xiàn)最大功能。

2.2　遮光與補光措施

溫室作物的生長發(fā)育需要適宜的太陽光照射，但光照過強不利于植物的生長，需要采取適當?shù)恼陉柎胧?。溫室遮陽系統(tǒng)是利用具有一定透光率的內(nèi)外遮陽網(wǎng)遮擋過強光線，可有效減少光照強度30%左右，滿足溫室植物正常生長所需的光照強度與溫度[59]。遮陽網(wǎng)一般選擇具有對太陽輻射有較高反射能力、壽命較長的鋁箔網(wǎng)等。

同樣地，若太陽光照不足或不均勻，需要采取適當?shù)难a光措施，以滿足植物健康生長的光照條件。常見的人工補光措施是利用光反射原理在溫室后墻掛反光膜、刷白色墻壁、地面鋪設反光膜等，如圖3所示。

圖3　溫室補光措施

另外，還可通過LED光調(diào)控設備進行人工LED光照強度調(diào)控?；谔柲芄╇姾蛿?shù)字控制技術(shù)，智能LED植物補光系統(tǒng)能在設施農(nóng)業(yè)反季節(jié)室作物栽培中發(fā)揮作用，可提高植物的光合作用，節(jié)能、智能、綠色高效[60]。

3　光周期調(diào)控技術(shù)

植物生產(chǎn)的光周期調(diào)控是指根據(jù)植物種類通過間接補光或遮光的方式調(diào)控其光照時間，多方面影響植物的生長發(fā)育和生理生化反應。我國部分地區(qū)冬季日照時間短、光照強度低，一般需要采取光周期補光手段保證作物的產(chǎn)量與品質(zhì)。對于短日照植物或需要經(jīng)歷連續(xù)暗期的植物則要求對其進行光周期遮光處理，以促進花芽分化，調(diào)控開花時間。

利用光周期誘導植株開花過程中，采用光周期16h/d最能促進草莓葉片的光合作用[61]。對擬南芥[6]、菊花[62-63]、春石斛[64]等觀賞花卉的生長培育階段進行短日照或暗處理，可明顯加快花芽的分化進程，使開花時間大大提前，且植株花芽多，開花量和花徑大。對黃瓜嫁接苗緩苗進行適當暗處理有利于其成活，適宜溫濕度環(huán)境條件下可使嫁接苗成活率達95%[65]。

蔬菜育苗時常會發(fā)生幼苗徒長、莖葉不壯的現(xiàn)象，由于施用植物生長調(diào)節(jié)劑對植物有副作用，故采用光周期調(diào)控法可以控制幼苗徒長，提高壯苗指數(shù)，環(huán)保、經(jīng)濟、有效且簡便易行[66]。在基因表達水平上研究光周期調(diào)控技術(shù)能更有效調(diào)控植株的生長發(fā)育。在光周期調(diào)控馬鈴薯塊莖的形成中，研究[66]發(fā)現(xiàn)：此過程與光敏色素、同源異型框基因 POTH1 及其相互作用基因 StBEL5有關，但部分調(diào)控通路僅僅通過基因表達水平分析或根據(jù)植物開花過程推測形成，還需研究StGI、PIFs、FHYs、HY5等因子作用及相關調(diào)控機理，從而提高育種效率。

多數(shù)植物莖生長不是 24 h均勻分布的，夜間(18:00-08:00)莖伸長顯著高于白天，通過調(diào)控夜間植物生長的光周期可促進植株生長[67-69]。Jao R C[70]研究了間歇光照對馬鈴薯試管苗生長的影響，試驗結(jié)果表明：720Hz、16h光照/ 8h黑暗及50%占空比的LED光源最能刺激植株增長。若考慮能耗以及熱排出問題，則頻率180 Hz時對馬鈴薯苗生長最合適。在番茄植株生長的夜間進行LED紅光處理 5 次(每隔 2 h 打斷一次)及以上時，其營養(yǎng)生長期延長，第 1 穗果的平均單果質(zhì)量和單株產(chǎn)量顯著提高(P<0.05)[71-72]。余新[73]也發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)論，暗期紅光多點打斷(7次)促進黃瓜和番茄幼苗的下胚軸生長，使植株長高、葉片增大，壯苗指數(shù)較對照(暗期不給予紅光間斷照射)分別提高了42.4%和24.2%，但兩種植株的光合特性表現(xiàn)出差異，還需進一步研究。在黃瓜生長后期(二葉期至成苗期)，采取紅藍復合光夜間延時補光可使黃瓜各項生理指標達到最優(yōu)，即幼苗葉面積、莖粗、株高、干物質(zhì)量、葉綠素含量和壯苗指數(shù)最大，最適宜的補光策略為補光時長為4h，補光光質(zhì)為8R/2B的紅藍光組合[74-75]。

4　光分布調(diào)控技術(shù)

在植物冠層水平方向上，溫室內(nèi)的光照分布較均勻，但中下層因植物遮擋易造成光照分布不均、光照不足，在垂直方向上，光照強度由屋頂至地面呈垂直遞減趨勢[76]。設施內(nèi)光照分布調(diào)控根據(jù)作物栽培對光需求，可以結(jié)合光照強度的措施(參考2的內(nèi)容)，對植物進行補光或遮陰。對于瓜果類、多肉類花卉著色，依據(jù)作物生長的位置進行移動補光、單光源定點補光；對于株高高的蔬菜，可利用補光燈或移動補光板進行下層的較大面積補光；對于蔓藤類植物，可用透明繩人工改變垂吊方向避免遮陰。

5　光調(diào)控設備與系統(tǒng)

自20世紀末以來，隨著植物學和溫室的發(fā)展，LED的應用越來越廣泛，涉及藻類、作物、花卉、水果和蔬菜等各個方面。LED以其使用壽命長、尺寸小、散熱小、具有特定波長和可調(diào)光質(zhì)光強等優(yōu)點，在植物生長的光調(diào)控應用中發(fā)揮了越來越重要的作用[77]。市面上出售有各種規(guī)格和配方的補光設備，如燈管、燈帶、補光燈、補光板、帶罩燈及頂棚燈等等。

基于單片機的溫室植物 LED 補光系統(tǒng)，配置是由紅光、藍光、遠紅光、紫外光組成的LED模塊陣列光源，可滿足植物對光質(zhì)、光強、光周期的精準補光需求[78]?；谶z傳算法的番茄幼苗光合作用優(yōu)化調(diào)控模型[79]，構(gòu)建了溫度和光通量密度耦合的光合速率回歸模型，可動態(tài)獲取不同溫度條件下光飽和點信息，誤差小、精度高。此方法可應用到協(xié)同濕度、二氧化碳濃度、水肥狀況、生長階段及營養(yǎng)液配制等來完善光環(huán)境調(diào)控參數(shù)，提高設施光環(huán)境檢測與智能調(diào)控系統(tǒng)效率[80]。利用快速分波段PFD檢測算法建立光環(huán)境多因子耦合需光模型，可計算實時紅、藍光光強和根據(jù)實時監(jiān)測的環(huán)境信息運算所得補光量，對設施光環(huán)境動態(tài)調(diào)控有重要意義，但天氣對其模型精度的影響較大，還需擴大模型的應用范圍[81]。張海輝[82-83]開發(fā)了植物自適應精準補光系統(tǒng)，使不同植物在不同生長階段、不同環(huán)境下實時監(jiān)測特定波段光照強度、二氧化碳濃度和環(huán)境溫度，采用PWM(脈寬調(diào)制)信號控制模式精確調(diào)控分波長補光量，部署靈活、響應快，提高了光能利用率，比常規(guī)的LED補光系統(tǒng)節(jié)能約30%，能耗更低。Li Yanyan等人[84]開發(fā)設計的RRGB照明配電芯片LED平面光源陣列模塊，與大功率芯片的組合設計相比，具有散熱少、功耗低的優(yōu)勢，可用來近距離照射植物，基于LabVIEW上位機結(jié)合虛擬儀器和下位機控制器實現(xiàn)監(jiān)測和控制系統(tǒng)，實時檢測光通量密度(PPFD)。其燈頭采用0.2W貼片式RRGB燈頭，脈沖寬度調(diào)制信號通過動態(tài)調(diào)整控制器結(jié)合環(huán)境照明系統(tǒng)實現(xiàn)智能照明，可根據(jù)植物不同增長階段智能滿足補光要求。

為突破傳統(tǒng)的光環(huán)境有線部署方式弊端，對小型番茄培育溫室設計出基于無線傳感器的無線光調(diào)控系統(tǒng)，成本低，效率高[85]，但還需采用上位機對分布式多點LED調(diào)光控制終端實現(xiàn)開關控制、參數(shù)調(diào)整和狀態(tài)監(jiān)測。此法運行可靠，測試結(jié)果良好，對于調(diào)節(jié)光照度效率更高，能滿足溫室群的需求[86]。以LED為基礎的ZigBee無線網(wǎng)絡，可通過互聯(lián)網(wǎng)遠程監(jiān)控植物光環(huán)境, 數(shù)據(jù)采集和遠程管理系統(tǒng)性能優(yōu)異[87]。Pieter H B[88]以3D虛擬的番茄為仿真對象，結(jié)合番茄3D模型和射線示蹤，基于GroIMP平臺評估了許多溫室照明措施。模型測試了葉片角度對光能利用效率(LUE)的影響，指出葉片定向垂直于LED燈將更有利于攔截光照，將LED燈向上傾斜20°更有利于光吸收，且射線追蹤和3D作物模型的結(jié)合優(yōu)化了計算葉片光通量方法。

光調(diào)控設備中除了LED燈外，還有一種新型的照明燈—無極燈[89]，在植物光調(diào)控方面也有應用，其構(gòu)造圖如圖4所示。無極燈沒有電極，依靠電磁感應和氣體放電的原理發(fā)光,使用壽命是LED燈的2倍，光線柔和，功率范圍大，在工業(yè)、商業(yè)、道路、隧道、橋梁等領域應用廣泛；但是，由于無極燈生產(chǎn)技術(shù)含量高，生產(chǎn)工藝復雜，進入家庭照明領域難度較大。李文鵬[90]采用基于 WIFI 的LVD無極植物燈作為植物栽培的智能補光光源，充分發(fā)揮了無極燈發(fā)光效率高、光通量穩(wěn)定、功率可調(diào)等特點，結(jié)合遠程智能控制系統(tǒng)，拓展了無極燈在植物栽培的應用。

1.紫外輻射　2.熒光粉涂層　3.汞齊　4.磁場

6　總結(jié)與展望

1)研究植株對同一光強不同光質(zhì)的響應時，光照強度的設定往往是因人而異或依據(jù)經(jīng)驗，沒有經(jīng)過驗證或參考既有規(guī)范，故降低了所得結(jié)論的可比性及實驗的可重復性。

2)人工控制植物生長環(huán)境中復合光的光照強度比值是通過設置LED燈的數(shù)量比來體現(xiàn)的，由于LED燈的類型不同、排布不同而使試驗產(chǎn)生一定誤差，應建立統(tǒng)一規(guī)范或標準。

3)不同品種的植物所需的特定光譜不同，LED技術(shù)提供了很大的靈活性，滿足了不同植物的光質(zhì)要求；但是，今后對光環(huán)境調(diào)控的研究需結(jié)合光強、光周期、光分布多方面協(xié)同調(diào)控，為植物的不同生長發(fā)育階段提供量身定制光照條件，最大可能地滿足植物對光的需求。

4)針對不同植株，通過試驗得出的最適宜的光調(diào)控策略大多依據(jù)的是植株形態(tài)表現(xiàn)，鮮有對調(diào)控機理的深入研究。

5)植株生長生理生化特性檢測系統(tǒng)與光照調(diào)控系統(tǒng)往往是獨立分開的，通信系統(tǒng)的同步性有待加強，并未實現(xiàn)實時、快速、無損的同步檢測。

6)光照強度衡量單位有光度量(照度，單位為lx)和光通量密度(PPFD，單位為μmol/m2·s)，植物組織培養(yǎng)的企業(yè)往往需購置昂貴的光量子檢測設備來測定光通量密度，從而確定合適的光照強度，加大了生產(chǎn)成本。所以，建立光度量與光通量密度的轉(zhuǎn)換關系將大大有利于組培發(fā)展。另外，今后可以拓展組培植物和溫室作物種類的研究范圍，對常見植物所需的光環(huán)境制定配套的光調(diào)控方案，建立大數(shù)據(jù)庫，將最優(yōu)方案進行推廣，實現(xiàn)只需輸入植物類型，即可完成在植物不同生長發(fā)育階段的自適應光環(huán)境實時調(diào)控，真正實現(xiàn)植物生產(chǎn)的規(guī)模化、精準化、智能化，大大增加社會和經(jīng)濟效益。

7)用LED人工光調(diào)控植物生長發(fā)育時，人眼免不了需要處在不良的光照環(huán)境下，長此以往對人體會產(chǎn)生不利影響，雖已有學者研究采用PWM技術(shù)自動切換藍光強弱工作模式，但也只能削弱藍光[91]。隨著農(nóng)業(yè)信息感知與獲取技術(shù)的進步，利用圖像傳感技術(shù)、機器視覺技術(shù)、環(huán)境自動控制技術(shù)等對植物狀況進行檢測和調(diào)控將是未來發(fā)展的一個方向，還需要廣大學者共同努力，推動智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展。